Принцип действия и устройство однофазного трансформатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принцип действия и устройство однофазного трансформатора

Принцип действия однофазного трансформатора

Трансформамтор (от лат. transformo -- преобразовывать) -- это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредствомэлектромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты^[1].

Трансформатор осуществляет преобразование напряжения переменного тока и/илигальваническую развязку в самых различных областях применения -- электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.

Трансформаторы различают:

по уровню мощности - малой мощности, с номинальной мощностью 5 кВ·А и ниже у трехфазных и 4 кВ·А и ниже у однофазных; силовые однофазные и трехфазные трансформаторы большей мощности;

по назначению - силовые трансформаторы систем энергоснабжения, предназначенные для преобразования электрической энергии с целью ее передачи и распределения с наилучшими технико-экономическими показателями; трансформаторы питания - трансформаторы малой мощности, предназначенные для преобразования напряжения электрических сетей в напряжение, необходимое для питания электронной аппаратуры, маломощного электрического оборудования и бытовых устройств, статических преобразователей энергии и т.д.; измерительные трансформаторы, расширяющие пределы измерения амперметров, вольтметров и ваттметров переменного тока; импульсные трансформаторы, предназначенные для формирования, передачи и преобразования импульсных сигналов;

по числу фаз - одно- и трехфазные; трансформаторы с числом фаз более трех встречаются только в некоторых специальных схемах;

по числу обмоток в фазе - двух- и многообмоточные.

Трансформаторы выполняют либо с воздушным, либо с масляным охлаждением; каждый из способов может быть либо с естественным теплообменом, либо с принудительной вентиляцией. В автоматических системах наиболее распространены однофазные и трехфазные трансформаторы питания малой мощности с воздушным охлаждением.

Конструкция однофазных трансформаторов питания

Основные части трансформаторов - обмотки, осуществляющие электромагнитное преобразование энергии, и магнитопровод (магнитная система), выполненный из ферромагнитного материала и предназначенный для локализации магнитного потока и усиления электромагнитной связи обмоток. Магнитопровод трансформаторов малой мощности изготавливают из листовой или ленточной электротехнической стали толщиной 0,1 - 0,35 мм.

Рис. 1.1

В зависимости от конфигурации магнитопровода различают трансформаторы стержневого, броневого и кольцевого типов. Конструктивные схемы таких двухобмоточных трансформаторов с ленточным магнитопроводом представлены соответственно на рис. 1.1, а-в. Магнитопровод 1 навивают из узкой ленты на станках; при этом магнитопровод броневого типа (рис. 1.1, б) собирают из двух магнитопроводов стержневого типа. Слои ленты изолируют друг от друга тонким слоем окисла, пленкой лака или бумагой с целью уменьшения вихревых токов, наводимых в магнитопроводе переменным магнитным потоком. Навитые магнитопроводы трансформаторов стержневого и броневого типов разрезают на две половины по линии А-А для создания возможности монтажа на них заранее намотанных обмоток. После монтажа обмоток половины вновь соединяют и плотно стягивают специальными обжимами. Использование ленты, нарезанной вдоль направления наибольшей магнитной проницаемости материала, позволяет создавать магнитопроводы на всех участках которых магнитный поток идет по пути наименьшего магнитного сопротивления материала. Участки магнитопровода, на которых расположены обмотки, называют стержнями, остальные участки - ярмом. Для обеспечения постоянной магнитной индукции по всему магнитопроводу у трансформаторов броневого типа ширина центрального стержня в два раза больше, чем боковых участков ярма.

Обмотка трансформатора - это совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС витков. Обмотки 3, 4 трансформаторов стержневого и броневого типов представляют собой катушки, намотанные из изолированного провода, в большинстве случаев медного, на изолирующий каркас 2 или гильзу. Отдельные слои проводов изолируют друг от друга тонкой межслойной изоляцией из специальной бумаги или ткани, пропитанной лаками; между обмотками прокладывают более толстую межобмоточную изоляцию. Обмотки трансформатора, к которым электрическая энергия подводится, называют первичными, обмотки, от которых электрическая энергия отводится, - вторичными. Если на стержне в пределах катушки первичные и вторичные обмотки располагаются концентрично одна поверх другой, их называют концентрическими (рис. 1.1, a). При этом у стержневого трансформатора в катушках расположено по половине витков каждой из обмоток. Возможно раздельное расположение первичных и вторичных обмоток на каждом из стержней, но магнитная связь обмоток в этом случае ухудшается. Если обмотки чередуются в осевом направлении стержня в виде отдельных катушек, имеющих форму дисков, их называют чередующимися (рис. 1.1, б).

В кольцевых трансформаторах (рис. 1.1, в) обмотки наматывают непосредственно на изолированный магнитопровод одна поверх другой по всей длине магнитопровода, при этом на внутренней стороне кольца слоев получается больше, чем на внешней. Повышение электрической прочности трансформаторов и их устойчивости к механическим и атмосферным воздействиям достигается путем пропитки обмоток изоляционными лаками или компаундами или заливкой трансформаторов в эпоксидную смолу.

Стержневые трансформаторы имеют наилучшие условия охлаждения ввиду большой поверхности охлаждения обмоток. Броневые трансформаторы благодаря меньшему числу катушек имеют меньшие размеры и более просты в изготовлении. Кольцевые трансформаторы отличаются малыми потоками рассеяния и низким сопротивлением сердечника благодаря отсутствию воздушных зазоров на пути потока, но более сложны в изготовлении ввиду невозможности предварительной намотки обмоток вне магнитопровода.

Рис. 1.2

Магнитопроводы трансформаторов, собранные из штампованных листов, представлены на рис. 1.2. Магнитопроводы стержневых трансформаторов собирают из листов П-образной формы (рис. 1.2, а), броневых - из Ш-образной формы (рис. 1.2, б), кольцевых - из колец (рис. 1.2, в). трансформатор однофазный напряжение ток

Принцип действия трансформатора

Принцип действия рассмотрим на примере однофазного двухобмоточного трансформатора (рис. 1.3), первичная обмотка которого с числом витков w1 включена в однофазную сеть переменного тока с напряжением u1, а вторичная обмотка с числом витков w2 замкнута на сопротивление нагрузки Zн. Под действием приложенного напряжения u1 по первичной обмотке протекает ток i1, создающий МДС первичной обмотки F1= i1w1, которая приводит к появлению переменного магнитного потока. Основная часть потока (поток взаимоиндукции Ф0) замыкается по магнитопроводу, сцепляется с обеими обмотками и наводит в них ЭДС e1 и e2. Небольшая часть потока Фу1, называемая потоком рассеяния первичной обмотки, замыкается по воздуху непосредственно вокруг этой обмотки.

Рис. 1.3

Во вторичной обмотке ЭДС e2 вызывает ток i2, на сопротивлении нагрузки Zн снимается выходное напряжение u2=i2Zн и выходная мощность P2=u2i2 Одновременно ток i2 создает МДС вторичной обмотки F2=i2w2, направление которой в контуре магнитопровода определяется по правилу Ленца. Значение потока взаимоиндукции Ф0 определяется результирующим действием МДС F1 и F2. В обеих обмотках ЭДС взаимоиндукции определяются в соответствии с законом электромагнитной индукции:

e1=-w1dФ0/dt; e2=-w2dФ0/dt (1.1)

Поток Фу1 наводит ЭДС самоиндукции в первичной обмотке:

eу1=-Lу1di1/dt, (1.2)

где Lу1 - индуктивность первичной обмотки, соответствующая потоку рассеяния.

При увеличении тока нагрузки i2 МДС F2 стремится уменьшить поток Ф0 и тем самым - ЭДС e1. Поскольку трансформаторы выполняют с минимальными потоками рассеяния и минимальным активным сопротивлением обмоток, основная часть приложенного напряжения u1 уравновешивается ЭДС e1, которая направлена в контуре обмотки встречно напряжению u1; при неизменной амплитуде напряжения u1 ток i1 увеличивается. Таким образом, приращение выходной мощности покрывается за счет приращения потребляемой мощности P1=u1i1. Увеличение тока i1 приводит к увеличению МДС F1, и поток Ф0 восстанавливается до прежнего значения. Небольшое уменьшение потока может быть вызвано падением части приложенного напряжения на сопротивлении обмотки. Это изменение тем больше, чем меньше мощность трансформатора, однако при изменении тока нагрузки от нуля (холостой ход) до номинального значения оно не превышает нескольких процентов. Магнитодвижущая сила F1 вызывает также появление потока рассеяния вторичной обмотки Фу2, наводящего ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке:

eу2= -Lу2di2/dt (1.3)

При допущении о линейной зависимости индукции от напряженности магнитного поля и отсутствии гистерезиса в магнитной системе трансформатора можно утверждать, что в трансформаторе, подключенном к сети переменного синусоидального напряжения, все токи, потоки, ЭДС и напряжения изменяются по синусоидальному закону. Напряжение u1, приложенное к первичной обмотке, уравновешивается в основном наведенной ЭДС взаимоиндукции, т.е. u1? -e1. При синусоидальном напряжении источника u1=U1msinщt выражение (1.1) можно представить в виде

dФ0 ?(u1/w1)dt=(U1m/w1)sinщtdt

(щ=2рf - угловая частота напряжения), откуда после интегрирования получим выражение для потока:

Ф0 = ?(u1/w1)dt=- Фmcosщt, (1.4)Фm ? U1m/(w1щ)= U1/(4,44fw1) (1.5)

Фm - амплитудное значение потока Ф0.

Из (1.5) видно, что амплитуда основного магнитного потока определяется амплитудой U1m, угловой частотой первичного напряжения щ и числом витков w1 первичной обмотки. Подставив (1.4) в (1.1), после дифференцирования получим

e1=-E1m sinщt; e2= -E2m sinщt (1.6)

где E1m=щФmw1; E2m=щФmw2 - амплитудные значения ЭДС взаимоиндукции.

Из формулы (1.6) видно, что ЭДС e1 и e2 совпадают друг с другом по фазе и отстают от вызывающего их магнитного потока на 90°. При переходе к действующим значениям ЭДС получаем:

E1=4,44fФmw1; E2=4,44fФmw2 (1.7)

Соотношение напряжений на входе и выходе трансформатора определяется в основном соотношением ЭДС взаимоиндукции в первичной и вторичной обмотках, которое называется теоретическим коэффициентом трансформации:

Kт=E1/E2=w1/w2 (1.8)

Как видно, соотношение напряжений на обмотках трансформатора определяется соотношением чисел витков.

Ток, необходимый для создания магнитного потока и являющийся по характеру реактивным (индуктивным), называют намагничивающим током трансформатора I0p. Он протекает по первичной обмотке независимо от того, нагружен трансформатор или нет, и является основной составляющей тока холостого хода (х.х.) трансформатора. По закону Ома для магнитной цепи:

Фm= v2·I0pw1/Rм (1.9)

где Rм - магнитное сопротивление магнитопровода трансформатора.

Преобразуя (1.9) с учетом (1.5), получим:

I0p=ФmRм/(v2·w1)=U1Rм/(6,28f·w12)

Как видно, намагничивающий ток прямо пропорционален магнитному сопротивлению магнитопровода. Поэтому при проектировании и изготовлении магнитопроводов трансформаторов следует сводить к минимуму воздушные зазоры на пути основного магнитного потока, так как магнитная проницаемость воздуха значительно меньше магнитной проницаемости ферромагнитных материалов. Необходимо отметить, что в реальных трансформаторах перемагничивание магнитопроводов происходит по нелинейному закону (петля намагничивания). Поэтому временной закон изменения ЭДС, токов и напряжений в зависимости от степени насыщения сердечника может более или менее отличаться от синусоидального. Процесс передачи мощности с первичной на вторичную обмотку трансформатора сопровождается потерями части активной мощности. Мощность, называемая электрическими потерями, выделяется на активном сопротивлении обмоток при протекании по ним тока:

ДPэ=I12R1+I22R2 (1.10)

где R1 и R2 - активные сопротивления обмоток

Значение электрических потерь зависит от токов в обмотках, т.е. от режима нагрузки, поэтому электрические потери называют переменными потерями трансформатора.

Мощность ДPм, называемая магнитными потерями, выделяется в магнитопроводе при прохождении по ней переменного магнитного потока. Она обусловлена наличием вихревых токов, наводимых переменным потоком, и явлением гистерезиса. Значение ДPм зависит от свойств материала магнитопровода, индукции в магнитопроводе и частоты его перемагничивания. Как видно из (1.5), поток, а следовательно, и индукция не зависят от нагрузки, поэтому потери ДPм называют постоянными потерями трансформатора. Так как потери на вихревые токи и гистерезис пропорциональны примерно квадрату индукции, то ДPм ~ U12. Выделение части потребляемой трансформатором мощности в виде электрических и магнитных потерь приводит к нагреву трансформатора.

Потери ДPм выделяются в трансформаторе и в режиме х.х., поэтому при х.х., не отдавая полезной выходной мощности, трансформатор потребляет от источника некоторую активную мощность, идущую на покрытие потерь. Следовательно, в токе х.х. I0 имеется активная составляющая I0a, которая обычно не превышает 10% от намагничивающей составляющей тока х.х. I0p. У трансформаторов большой и средней мощности ток I0= I0a+j I0p не превышает 2-10% от номинального; у трансформаторов микромощности его значение может достигать 40-60% от номинального. Следует отметить, что наряду с трансформаторами, имеющими фиксированный коэффициент трансформации, выпускается ряд типов трансформаторов с регулируемым вторичным напряжением. В основном регулирование осуществляется изменением соотношения между числами витков первичной и вторичной обмоток. При ступенчатом регулировании обмотка, обычно вторичная, имеет ряд ответвлений с различным числом витков. Выводы ответвлений подведены к переключателю. Для плавного регулирования трансформатор может быть выполнен со скользящим контактом - щетками, перемещающимися по неизолированной контактной дорожке на поверхности проводников вторичной обмотки и подключающими к выходу различное число витков.

Размещено на Allbest.ru